Энергетика физиологических процессов
Чем больше мышечная работа, тем сильнее возрастает расход энергии. Ну это и правильно по закону сохранения энергии: если энергия где – нибудь убудет, то она обязательно прибудет в виде или такой же, или другой энергии.
В лабораторных условиях, в опытах с работой на велоэнергометре, при точно определённом сопротивлении вращению педалей была установлена прямая (линейная) зависимость расхода энергии от мощности работы, регистрируемой в килограммах или ваттах. Вместе с тем было выявлено, что не вся энергия, расходуемая человеком при совершении механической работы, используется непосредственно на эту работу, ибо большая часть энергии теряется в виде тепла. Известно, что отношение энергии, полезно затраченной на работу, ко всей израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия (КПД). Считается, что наибольший КПД человека при привычной для него работе не превышает 0,30 –0,35. Следовательно, при самом экономном расходе энергии в процессе работы общие энергетические затраты организма минимум в 3 раза превышают затраты на совершение работы. Чаще же КПД равен 0,20 – 0,25, так как нетренированный человек тратит на одну и ту же работу больше энергии, чем тренированный. Так, экспериментально было установлено, что при одной и той же скорости передвижения разница в расходе энергии между тренированным спортсменом и нетренированным (новичком) может достигать 25 – 30%.
Общее представление о расходе энергии (в Ккал) во время прохождения разных дистанций дают следующие цифры, определенные известным физиологом спорта В.С. Фарфелем:
Зоны мощности в спортивных упражнениях
С ориентацией на мощность и расход энергии были установлены следующие зоны относительной мощности в циклических видах спорта:
1. Максимальная степень мощности. В этой зоне продолжительность работы достигает всего лишь от 20 до 25 секунд. В эту категорию попадают такие виды спорта как: бег на 100 и 200 метров; Плавание на 50 метров; Велогонка на 200 метров с хода, при чём эти физические упражнения делаются при рекордном исполнении.
2. Субмаксимальная степень мощности. Эта степень немного ниже максимальной, и поэтому продолжительность работы при таких нагрузках может быть от 25 секунд до 3-5 минут. Сюда попадают: бег на 400, 800, 100, 1500 метров; плавание на 100, 200, 400 метров; бег на коньках на 500, 1500, 300 метров; а также велогонки на 300, 1000, 2000, 3000, 4000 метров.
3. Большая степень мощности. Продолжительность работы достигает от 3-5 минут до 30 минут. Этой степени соответствуют: бег на 2, 3, 5, 10 километров; плавание на 800, 1500 метров; бег на коньках на 5, 10 километров; велогонки на 100 километров и более.
4. Умеренная степень мощности. Продолжительность работы достигает даже свыше 30 минут! Физические упражнения, которые соответствуют этой степени мощности это: бег на 15 километров и более; спортивная ходьба на 10 километров и более; бег на лыжах на 10 километров и более, а также велогонки на 100 километров и более.
Отсюда ясно проявляется закономерность: чем больше нагрузка, чем больше степень мощности, затрачиваемой на выполнение данных физических упражнений, тем меньше по продолжительности (минуты, секунды) и по количеству (например в метрах) спортсмен может работать на данном уровне нагрузок. И действительно. Как говорится, тише едешь, дальше будешь.
Например, если при беге трусцой спортсмен пробегает километры и может держать темп очень долго, то на спринтерских дистанциях пробегаются всего лишь сотни метров и за меньшие промежутки времени. Или, например если штангист может небольшой вес держать минутами/десятками минут, то большие нагрузки буквально 2-5 секунд.
Итак, эти четыре зоны относительной мощности предполагают деление множества различных дистанций на четыре группы: короткие, средние, длинные, сверхдлинные.
Так в чём же суть разделения физических упражнений по зонам относительной мощности и как это связанно с энергозатратами при физических нагрузках разной интенсивности?
Во-первых, мощность работы прямо зависит от её интенсивности, что было сказано выше. Во-вторых, высвобождение и расход энергии преодоления дистанций, входящих в различные зоны мощности, имеют существенно отличающиеся физиологические характеристики, которые представлены в таблице 3.
Теперь перейдём к более детальному рассмотрению данных, приведённых в таблице.
Зона максимальной мощности: в её пределах может выполняться работа, требующая предельно быстрых движений. Ни при какой другой работе не освобождается столько энергии, сколько при работе с максимальной мощностью. Кислородный запас в единицу времени самый большой, потребление организмом кислорода незначительно. Работа мышц совершается почти полностью за счёт бескислородного (анаэробного) распада веществ. Практически весь кислородный запрос организма удовлетворяется уже после работы, т.е. запрос во время работы почти равен кислородному долгу. Дыхание незначительно: на протяжении тех 10 – 20 секунд, в течение которых совершается работа спортсмен либо не дышит, либо делает несколько коротких вдохов. Зато после финиша его дыхание ещё долго усиленно, в это время погашается кислородный долг. Из-за кратковременности работы кровообращение не успевает усилиться, частота же сердечных сокращений значительно возрастает к концу работы. Однако минутный объём крови увеличивается ненамного, потому что не успевает вырасти систолический объём сердца.
Зона субмаксимальной мощности: в мышцах протекают не только анаэробные процессы, но и процессы аэробного окисления, доля которых увеличивается к концу работы из-за постепенного усиления кровообращения. Интенсивность дыхания также всё время возрастает до самого конца работы. Процессы аэробного окисления хотя и возрастают на протяжении работы, всё же отстают от процессов бескислородного распада. Всё время прогрессирует кислородная задолженность. Кислородный долг к концу работы больше, чем при максимальной мощности. В крови происходят большие химические сдвиги.
К концу работы в зоне субмаксимальной мощности резко усиливается дыхание и кровообращение, возникает большой кислородный долг и выраженные сдвиги в кислотно-щелочном и водно-солевом равновесии крови. Это может вызвать повышение температуры крови на 1 – 2 градуса, что может повлиять на состояние нервных центров.
Зона большой мощности: интенсивность дыхания и кровообращения успевает уже в первые минуты работы возрасти до очень больших величин, которые сохраняются до конца работы. Возможности аэробного окисления более высоки, однако они всё же отстают от анаэробных процессов. Сравнительно большой уровень потребления кислорода несколько отстаёт от кислородного запроса организма, поэтому накопление кислородного долга всё же происходит. К концу работы он будет значителен. Значительны и сдвиги в химизме крови и мочи.
Зона умеренной мощности: это уже сверхдлинные дистанции. Работа умеренной мощности характеризуется устойчивым состоянием, с чем связано усиление дыхания и кровообращения пропорционально интенсивности работы и отсутствие накопления продуктов анаэробного распада. При многочасовой работе наблюдается значительный общий расход энергии, сто уменьшает углеводные ресурсы организма.
Итак, в результате повторных нагрузок определённой мощности на тренировочных занятиях организм адаптируется к соответствующей работе благодаря совершенствованию физиологических и биохимических процессов, особенностей функционирования систем организма. Повышается КПД при выполнении работы определенной мощности, повышается тренированность, растут спортивные результаты.
Аэробное и анаэробное энергообеспечение организма человека
В организме постоянно поддерживается энергетический баланс поступления и расхода энергии. Жизнедеятельность организма обеспечивается энергией за счет анаэробного и аэробного катаболизма (процесса расщепления сложных компонентов до простых веществ), поступающих с пищей белков, жиров, углеводов. При окислении выделяется; а) 1г. белка, 4,1 ккал энергии, б) 1г.углеводов, 4,1 ккал, в) 1г.жира 9,3 ккал. В процессе биологического окисления эта энергия высвобождается и используется, прежде всего, для синтеза АТФ и КрФ, которая, осуществляется 2-я путями:
1. АЭРОБНЫМ (за счет окисления углеводов, а затем жиров);
2. АНАЭРОБНЫМ (за счет АТФ, КрФ и глюкоза)
Аэробный путь ресинтеза АТФ – это основной, базовый способ образования АТФ, протекающий в митохондриях мышечных клеток. В ходе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода и по дыхательной цепи передаются на молекулярный кислород – О2, доставляемый кровью мышцы из воздуха, в результате чего возникает вода. За счет энергии, выделяющейся при образовании воды, происходит синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно на каждую образовавшуюся молекулу воды приходится синтез 3 молекул АТФ.
Скорость аэробного пути ресинтеза АТФ контролируется содержанием в мышечных клетках АДФ, который является активатором ферментов тканевого дыхания. В состоянии покоя, когда в клетках почти нет АДФ, тканевое дыхание протекает с очень низкой скоростью. При мышечной работе за счет интенсивного использования АТФ происходит образование и накопление АДФ. Появившийся избыток АДФ ускоряет тканевое дыхание и оно может достигнуть максимальной интенсивности. Другим активатором аэробного пути ресинтеза АТФ является СО2. Возникающий при физической работе в избытке углекислый газ активирует дыхательный центр мозга, что в итоге приводит к повышению скорости кровообращения мышц кислородом.
Максимальная мощность. По сравнению с анаэробными путями ресинтеза АТФ тканевое дыхание обладает самой низкой величиной максимальной мощности. Это обусловлено тем, что возможности аэробного процесса ограничены доставкой кислорода в митохондрии и их количеством в мышечных клетках. Поэтому за счет аэробного пути ресинтеза АТФ возможно выполнение физических нагрузок только умеренной мощности.
Время развертывания – 3-4 мин. У хорошо тренированных спортсменок может быть около 1 мин. Такое большое время объясняется тем, что для обеспечения максимальной скорости тканевого дыхания необходима перестройка всех систем организма, участвующих в доставке кислорода в митохондрии мышц.
Время работы с максимальной мощностьюсоставляет десятки мин. Источниками энергии для аэробного ресинтеза АТФ являются углеводы, жиры и аминокислоты, распад которых завершается циклом Крепса. Причем для этой цели используются не только внутримышечные запасы данных веществ, но и углеводы, жиры, кетоновые тела и аминокислоты, доставляемые кровью в мышцы во время физической работы. В связи с этим данный путь ресинтеза АТФ функционирует с максимальной мощностью в течение продолжительного времени. Под влиянием систематических тренировок, направленных на развитие аэробной работоспособности, в миоцитах возрастает количество митохондрий, увеличивается их размер, в них становится больше ферментов тканевого дыхания. Одновременно происходит совершенствование кислород-транспортной функции: повышается содержание миоглобина в мышечных клетках и гемоглобина в крови, возрастает работоспособность дыхательной и сердечно – сосудистой систем организма.
Анаэробные пути ресинтеза АТФ (креатинфосфатный, гликолитический) являются дополнительными способами образования АТФ в тех случаях, когда основной путь получения АТФ – аэробный не может обеспечить мышечную деятельность необходимым количеством энергии. Это бывает на первых секундах любой работы, когда тканевое дыхание еще полностью не развернулось, а также при выполнении физических нагрузок любой мощности.
В мышечных клетках всегда имеется креатинфосфат. Креатинфосфат обладает большим запасом энергии и высоким средством к АДФ. Поэтому он легко вступает во взаимодействие с молекулами АДФ, появляющиеся в мышечных клетках при физической работе в результате гидролиза АТФ. В ходе этой реакции остаток фосфорной кислоты с запасом энергии переносится с креатинфосфата на молекулу АДФ с образованием креатина АТФ. Образование креатина происходит без участия ферментов, спонтанно. Частично запасы креатинфосфата могут восстанавливаться и при мышечной работе умеренной мощности, при которой за счет тканевого дыхания АТФ синтезируется в таком количестве, которого хватает и на обеспечение сократительной функции миоцитов и на восполнение запасов креатинфосфата реакция может включаться многократно. Образование креатина присходит в печени с использованием 3 аминокислот: глицина, метионина и аргинина. Спортсмены для повышения в мышцах концентрации креатинфосфата используют в качестве пищевых добавок препараты глицина и метионина.
Максимальная мощность – 900-1100 кал./мин кг., что в 3 раза выше соответствующего показателя для аэробного ресинтеза.
Время развертывания – всего 1-2с. Исходных запасов АТФ в мышечных клетках хватает на обеспечение мышечной деятельности как раз в течение 1-2 с., и к моменту их исчерпания креатинфосфатный путь образования АТФ уже функционирует со своей максимальной скоростью.
Время работы с максимальной скоростью всего лишь 8-10 с., что связанно с небольшими исходными запасами креатинфосфата в мышцах. Главными преимуществами креатинфосфатного пути образования АТФ являются очень малое время развертывания и высокая мощность, что имеет крайне важное значение для скоростно-силовых видов спорта. Главным недостатком этого способа синтеза АТФ, существенно ограничивающим его возможности, является короткое время его функционирования. Время поддержания максимальной скорости всего 8-10 с., к концу 30-й с. его скорость снижается вдвое. Креатинфосфатная реакция может неоднократно включаться во время выполнения физ. нагрузок, что делает возможным быстрое повышение мощности выполняемой работы, развития ускорения во время выполнения соревновательных упражнений. 5-20 ммоль/кг. атную группу, связанную с остатком креатина макроэргической связью.(ских нагрузок любой мощности.ой путь получен
Утомление при физической и умственной работе, причины и профилактика
Утомление и восстановление при физической и умственной работе
Любая мышечная деятельность, занятия физическими упражнениями, спортом повышают активность обменных процессов, тренируют и поддерживают на высоком уровне механизмы, осуществляющие в организме обмен веществ и энергии, что положительным образом сказывается на умственной и физической работоспособности человека. Однако при увеличении физической или умственной нагрузки, объема информации, а также интенсификации многих видов деятельности в организме развивается особое состояние, называемое утомлением.
Утомление - это функциональное состояние, временно возникающее под влиянием продолжительной и интенсивной работы и приводящее к снижению ее эффективности.
Утомление проявляется в том, что уменьшается сила и выносливость мышц, ухудшается координация движений, возрастают затраты энергии при выполнении работы одинакового характера, замедляется скорость переработки информации, ухудшается память, затрудняется процесс сосредоточения и переключения внимания, усвоения теоретического материала.
Утомление связано с ощущением усталости, и в то же время оно служит естественным сигналом возможного истощения организма и предохранительным биологическим механизмом, защищающим его от перенапряжения. Утомление, возникающее в процессе упражнения, это еще и стимулятор, мобилизующий как резервы организма, его органов и систем, так и восстановительные процессы.
Утомление наступает при физической и умственной деятельности. Оно может быть острым, т.е. проявляться в короткий промежуток времени, и хроническим, т.е. носить длительный характер (вплоть до нескольких месяцев); общим, т.е. характеризующим изменение функций организма в целом, и локальным, затрагивающим какую-либо ограниченную группу мышц, орган, анализатор.
Различают две фазы утомления:
компенсированную (когда нет явно выраженного снижения работоспособности из-за того, что включаются резервные возможности организма);
некомпенсированную (когда резервные мощности организма исчерпаны и работоспособность явно снижается).
Систематическое выполнение работы на фоне недовосстановления, непродуманная организация труда, чрезмерное нервно-психическое и физическое напряжение могут привести к переутомлению, а следовательно, к перенапряжению нервной системы, обострениям сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонической и язвенным болезням, снижению защитных свойств организма.
Устранить утомление возможно, повысив уровень общей и специализированной тренированности организма, оптимизировав его физическую, умственную и эмоциональную активность.
Профилактике и отдалению умственного утомления способствует мобилизация тех сторон психической активности и двигательной деятельности, которые связаны с теми, что привели к утомлению. Необходимо активно отдыхать, переключаться на другие виды деятельности, использовать арсенал средств восстановления.
Восстановление - процесс, происходящий в организме после прекращения работы и заключающийся в постепенном переходе физиологических и биохимических функций к исходному состоянию.
Время, в течение которого происходит восстановление физиологического статуса после выполнения определенной работы, называют восстановительным периодом .
Следует помнить, что в организме как во время работы, так и в предрабочем и послерабочем покое, на всех уровнях его жизнедеятельности непрерывно происходят взаимосвязанные процессы расхода и восстановления функциональных, структурных и регуляторных резервов. Во время работы процессы диссимиляции преобладают над ассимиляцией и тем больше, чем значительнее интенсивность работы и меньше готовность организма к ее выполнению. В восстановительном периоде преобладают процессы ассимиляции, а восстановление энергетических ресурсов происходит с превышением исходного уровня (сверхвосстановление или суперкомпенсация). (иллюстрация).
Это имеет огромное значение для повышения тренированности организма и его физиологических систем, обеспечивающих повышение работоспособности.
Различают раннюю и позднюю фазу восстановления. Ранняя фаза заканчивается через несколько минут после легкой работы, после тяжелой - через несколько часов. Поздние фазы восстановления могут длиться до нескольких суток.
Утомление сопровождается фазой понижения работоспособности, а спустя какое-то время может смениться фазой повышенной работоспособности. Длительность этих фаз зависит от степени тренированности организма, а также от выполняемой работы.
Рационально сочетать нагрузки и отдых необходимо для того, чтобы сохранить и развить активность восстановительных процессов.
Дополнительными средствами восстановления могут быть факторы гигиены, питания, массаж, биологически активные вещества (витамины).
Главный критерий положительной динамики восстановительных процессов - готовность к повторной деятельности, а наиболее объективным показателем восстановления работоспособности служит максимальный объем повторной работы.
С особой тщательностью необходимо учитывать нюансы восстановительных процессов при организации занятий физическими упражнениями и планировании тренировочных нагрузок.
Повторные нагрузки целесообразно выполнять в фазе повышенной работоспособности. Слишком длинные интервалы отдыха снижают эффективность тренировочного процесса.
Чтобы ускорить процесс восстановления, в спортивной практике используется активный отдых, т.е. переключение на другой вид деятельности.
12. Методы стандартов, антропометрических индексов, номограмм, функциональных проб, упражнений, тестов для оценки физического развития и физической подготовленности
По антропометрическим данным можно сделать оценку уровня физического развития с помощью антропометрических индексов. Рассмотрим некоторые из них.
Ростовой индекс определяет соотношение роста в сантиметрах и массы в килограммах. Чтобы определить нормальную массу взрослого человека нужно из цифры, обозначающей рост в сантиметрах, вычесть 100 — при росте 165—175 см и 110 при более высоком росте.
Весо-ростовой показатель вычисляется делением массы тела (в граммах) на его длину (в сантиметрах). Хорошая оценка для женщин — 360—405 г/см, для мужчин — 380—415 г/см.
Жизненный индекс определяется делением цифры, обозначающей жизненную емкость легких, на массу тела (в граммах). Показатель ниже 65—70 мл/кг у мужчин и 55—60 у женщин свидетельствует о недостаточной жизненной емкости легких либо об избыточной массе.
Силовой индекс — это отношение силы кисти более сильной руки (в килограммах) к массе тела. В среднем силовой индекс равен у мужчин — 0,70—0,75, а у женщин — 0,50—0,60.
Индекс пропорциональности между ростом и окружностью грудной клетки. Вычисляется так: окружность грудной клетки (в сантиметрах) в паузе умножается на 100 и делится на величину роста в сантиметрах. В норме этот индекс равен 50—55%.
Пропорциональность между ростом и шириной плеч определяется отношением ширины плеч к росту (в сантиметрах) и выражается в процентах: для мужчин—22%, для женщин — 21%.
Индекс пропорциональности развития грудной клетки — это разность между окружностью грудной клетки (в паузе) и половиной длины тела. Если разница равна 5—8 см для мужчин и 3—4 см для женщин или превышает названные цифры, это указывает на хорошее развитие грудной клетки. Если она ниже указанных значений или имеет отрицательное значение, то грудная клетка развита слабо.
Показатель крепости телосложения отражает разницу между длиной тела и суммой массы тела и окружности грудной клетки на выдохе. Например, при росте 181 см, массе 80 кг, окружности грудной клетки 90 см этот показатель будет: 181 -(80+90) =11. У взрослых разность меньше 10 можно оценивать как крепкое телосложение, от 10 до 20 — как хорошее, от 21 до 25 — как среднее, от 26 до 35 — как слабое и более 46 — как очень слабое. Однако показатель крепости телосложения, который зависит от окружности грудной клетки и массы тела, может ввести в заблуждение, если большие значения массы тела и окружности грудной клетки отражают не развитие мускулатуры, а являются результатом ожирения.
Коэффициент пропорциональности (КП), в процентах, определяется по формуле:
где Li — длина тела в положении стоя;
Li — длина тела в положении сидя.
Нормальный считается, если КП = 87—92%.
Результаты оценок показателей физического развития по стандатам можно изобразить графически — такое изображение называется, антропометрическим профилем. Этот метод используется во врачебно-физкультурных диспансерах, а также в работе со сборными командами и спортсменами высокого класса. Средние данные разрабатываются на основе массового репрезентативного обследования. Для получения антропометрического профиля оцениваются отклонения индивидуальных показателей спортсмена от средних данных для данной группы, возраста, пола (рис. 9.6).
Наряду с антропометрическим профилем в практике врачебного контроля применяют номограммы — графики геометрических величин, используемые при расчетах уровня физического развития и физической работоспособности. На рис. 9.7 представлена номограмма, оценки массы по росту стоя. Для оценки массы с учетом роста в номограмме необходимо найти фактическую массу и рост обследуемого, например, 70 кг и 170 см, восстановить из найденных точек перпендикуляры до их пересечения. Из точки пересечения провести мысленно вправо вверх линию, параллельную линии М. Эта «мысленная» линия на правой стороне номограммы выходит на середину между точками Ми +1..1 Следовательно, оценка массы по росту будет +0,5, т.е. в пределах сред-1 них данных.
На рис. 9.8 показана номограмма определения жизненной емкости легких в зависимости от роста, возраста и пола. Для этого необходимо! соединить точки, обозначающие возраст и рост линией, и место пересечения будет показывать должную жизненную емкость легких.
Здоровье, функциональное состояние и тренированность спортсме на можно определить с помощью функциональных проб и контрольных упражнений.
Функциональные пробы бывают общие (неспецифические) и со специфическими нагрузками; которые проводятся, как правило, в естественных условиях спортивной деятельности с нагрузками различной интенсивности.
Оценка функциональной подготовленности осуществляется также с помощью физиологических проб. К ним относятся контроль за частотой сердечных сокращений (ЧСС) и упоминавшаяся ортостатическая проба. Кроме этого, для оценки состояния дыхательной и сердечно-сосудистой систем и способности внутренней среды организма насыщаться кислородом применяют пробу Штанге и пробу Генчи.
Проба Штанге (задержка дыхания на вдохе). После 5 мин отдыха сидя сделать 2—3 глубоких вдоха и выдоха, а затем, сделав глубокий вдох (80—90% максимального), задержать дыхание. Отмечается время от момента задержки дыхания до его возобновления. Средним показателем считается время задержки дыхания на 65 с. У тренированного человека время задержки дыхания более продолжительное. При заболевании или переутомлении это время может снизиться до 30—35 с.
Проба Генчи (задержка дыхания на выдохе) выполняется так же, как и проба Штанге, только задержка дыхания производится после полного выдоха. Здесь средним показателем считается время задержки дыхания на выдохе на 30 с. При заболеваниях органов дыхания, кровообращения, после инфекционных и других заболеваний, а также в результате перенапряжения и переутомления, когда ухудшается общее функциональное состояние организма, продолжительность задержки дыхания и на вдохе, и на выдохе уменьшается.
В практике врачебного контроля применяется, как правило, комбинированная проба: 20 приседаний в течение 30 с, 15-секундный бег на месте в быстром темпе (180 шагов в мин). Эта проба позволяет судить о приспособительных реакциях сердечно-сосудистой системы организма к скоростной работе и работе на выносливость.
Еще один способ оценки физического состояния — тестирование как применение контрольных нормативов. Так, в практике физического воспитания в учебных заведениях используются обязательные тесты: бег на 100 м (показатель качества быстроты), подтягивание для студентов, поднимание и опускание туловища из положения лежа для студенток (показатель силовой подготовленности) и бег на 2000 м для студенток и на 3000 м для студентов (показатель выносливости). В начале учебного года тесты проводятся как контрольные, в конце — как фиксирующие изменения за прошедший учебный год.